電力拖動 第2章

直流調(diào)速系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng)第1篇直流電動機(jī)N、S為定子磁極，abcd是固定在可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)磁圓柱體上的線圈，線圈連同導(dǎo)磁圓柱體稱為電機(jī)的轉(zhuǎn)子或電樞。直流電動機(jī)的物理模型引言直流電動機(jī)按勵磁方式可分為：1、并勵：勵磁繞組、電樞繞組并聯(lián)；2、他勵：勵磁繞組由獨(dú)立的直流電源供電；3、串勵：勵磁繞組、電樞繞組串聯(lián)；4、復(fù)勵：勵磁繞組、電樞繞組并勵和串勵；2、他勵：勵磁繞組由獨(dú)立的直流電源供電；1）良好的起、制動性能、調(diào)速性能、控制性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速。直流電動機(jī)優(yōu)點(diǎn)：2）數(shù)學(xué)模型簡單、準(zhǔn)確：電樞電壓、電樞電流、電樞回路總電阻、電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速等各參數(shù)、變量之間的關(guān)系幾乎都是簡單明了的線性函數(shù)關(guān)系。挖掘機(jī)海洋鉆井機(jī)高層電梯直流電動機(jī)帶有機(jī)械換向裝置（換向器和電刷），運(yùn)行時會產(chǎn)生火花和電磁干擾，電刷易磨損，需維護(hù)、更換。直流電動機(jī)缺點(diǎn)：一、直流（他勵）電動機(jī)的機(jī)械特性直流電動機(jī)的機(jī)械特性：指電磁轉(zhuǎn)矩Te和轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系，即n=f(Te)。MIdREUd直流電動機(jī)電路

—電動機(jī)反電動勢（V）；—電動機(jī)電樞電流（A）；—主電路等效電阻（），IdRUd－電動機(jī)端電壓（電樞電壓）EMIdREUd直流電動機(jī)電路

穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下直流電動機(jī)的機(jī)械特性由下列三個基本方程式求得：1）轉(zhuǎn)矩方程式：2）感應(yīng)電動勢方程式：3）電樞電路電壓方程式：E=Ken=CenTe=CmIdUd=IdR+En=

Ud-IdRKe

Ud-IdRCe==RCeCmTeUdCe-

直流電動機(jī)機(jī)械特性基本方程式n=

Ud-IdRKe

Ud-IdRCe==RCeCmTeUdCe-額定勵磁下電動機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電勢常數(shù)電動機(jī)在額定磁通下電勢系數(shù)勵磁磁通n=

Ud-IdRKe

Ud-IdRCe==RCeCmTeUdCe-n0β

=n0－βTe=n0－Δnn0：理想空載轉(zhuǎn)速（Id＝0或Te=0）。其物理意義是電動機(jī)理想空載的條件下，不需電動機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩就能維持轉(zhuǎn)動外，這時電動機(jī)的電流Id及轉(zhuǎn)矩Te為0，轉(zhuǎn)速為n0，電樞中感應(yīng)電動勢E等于外加電壓Ud。β：為機(jī)械特性的斜率，其值大小可表示特性軟硬程度。β越大，特性越硬，機(jī)械特性越好。Δn：轉(zhuǎn)速降落。Δn越小Ten直流電動機(jī)的機(jī)械特性曲線n=

Ud-IdRKe

Ud-IdRCe==RCeCmTeUdCe-（Id）n0ΔnΔn=n0－βTe=n0－Δnβ越大,Δn越小,特性越硬,機(jī)械特性越好。二、直流他勵電動機(jī)的起動

指電動機(jī)通電或加壓后，從靜止?fàn)顟B(tài)加速到一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的過程。電動機(jī)的起動

在起動過程中，Te與TL的差距越大，dn/dt就越大，轉(zhuǎn)速增加越快。（1）起動轉(zhuǎn)矩越大、起動越快越好？（2）起動電流越大越好？三、直流他勵電動機(jī)的制動制動電氣制動機(jī)械制動電氣制動電氣制動：指電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te與轉(zhuǎn)速n的方向相反，Te起反抗運(yùn)動的作用。1）使系統(tǒng)迅速減速停車；2）限制位能負(fù)載的下降速度。制動的目的

這時的制動就是指電動機(jī)的某一轉(zhuǎn)速下降到0的過程，在制動過程中電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩起制動或剎車的作用，從而縮短停車時間，提高生產(chǎn)效率。

這時的制動是指電動機(jī)處于的某一穩(wěn)定的制動運(yùn)行狀態(tài)，電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩起到與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡的作用。地鐵制動系統(tǒng)四、直流他勵電動機(jī)的調(diào)速電力拖動自動控制系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)位置隨動系統(tǒng)張力控制系統(tǒng)多電動機(jī)同步控制系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)交流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)造紙機(jī)金屬切割機(jī)n=

Ud-IdRKe

Ud-IdRCe==RCeCmTeUdCe-由上式可以看出，調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速有三種方法：（3）改變電樞回路電阻R（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓Ud（2）減弱勵磁磁通（3）改變電樞回路電阻R（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓Ud（2）減弱勵磁磁通三種調(diào)速方法的性能比較（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓Ud1、在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速；2、非常容易地實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)；3、變壓調(diào)速范圍大，控制性能好。因此，作為的直流調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)速方法是變壓調(diào)速。（2）減弱勵磁磁通1、調(diào)速地范圍不大；2、只能在基速以上作小范圍地升速。這種調(diào)速方法不能作為主導(dǎo)調(diào)速方法，只能作為輔助調(diào)速方法，配合變壓調(diào)速方法拓寬系統(tǒng)的調(diào)速范圍。（3）改變電樞回路電阻R1、一般只能是有級調(diào)速，也不易構(gòu)成自動控制系統(tǒng)；2、在電機(jī)低速運(yùn)行時電阻消耗大，系統(tǒng)運(yùn)行效率低，故對于能夠構(gòu)成自動控制系統(tǒng)的直流調(diào)速系統(tǒng)來說一般不予采用。n=

Ud-IdRKe

Ud-IdRCe==RCeCmTeUdCe-自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)以調(diào)壓調(diào)速為主。直流電動機(jī)的調(diào)速Tenn=

Ud-IdRKe

Ud-IdRCe==RCeCmTeUdCe-（Id）n0U1n0NabTL1TL2cUNnancnb在負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL不變的條件下：調(diào)速由負(fù)載變化引起的轉(zhuǎn)速變化第2章轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速方程:調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速：（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓Ud。（2）減弱勵磁磁通。（3）改變電樞回路電阻R。n=

Ud-IdRKe

Ud-IdRCe==RCeCmTeUdCe-自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)以調(diào)壓調(diào)速為主。改變電源電壓調(diào)速，需要有電壓可調(diào)的直流電動機(jī)供電。常用的可控直流電源有以下三種:旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組(G-M)——用直流發(fā)電機(jī)和交流電動機(jī)組成機(jī)組，獲得可調(diào)的直流電壓。

晶閘管整流器-電動機(jī)系統(tǒng)(V-M)——用靜止式的可控整流器獲得可調(diào)的直流電壓。

直流PWM變換器-電動機(jī)系統(tǒng)(PWM)——用恒定直流電源或不可控整流電源供電，利用電力電子開關(guān)器件斬波或進(jìn)行脈寬調(diào)制，產(chǎn)生可變的平均電壓。2.1.1晶閘管整流器-電動機(jī)系統(tǒng)(V-M）

晶閘管-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)）：

由晶閘管整流器為直流電動機(jī)提供可變的直流電壓，從而調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速，組成晶閘管-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)）。圖2-1晶閘管-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖

觸發(fā)裝置GT晶閘管可控整流器VT電抗器L:起濾波作用，保持電流連續(xù)系統(tǒng)組成?V-M系統(tǒng)工作原理：通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc

來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變輸出電壓Ud（整流電壓），從而實(shí)現(xiàn)直流電動機(jī)平滑調(diào)速。

V-M系統(tǒng)的特點(diǎn)(優(yōu)越性):1、功率放大倍數(shù)大；2、控制作用的快速性好。3、效率高、損耗小1觸發(fā)脈沖相位控制工作原理

調(diào)節(jié)控制電壓Uc，從而移動觸發(fā)裝置GT輸出脈沖相位，即改變可控整流器VT輸出瞬時電壓的波形，以及輸出平均電壓Ud的數(shù)值。圖2-1晶閘管-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖

圖2-1晶閘管-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖

ud0Ud0V-M系統(tǒng)主電路Ud0IdEMRrec整流裝置內(nèi)部的電阻Rrec等效電路Ud0IdE圖2-2V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖

瞬時電壓平衡方程式中：

E—電動機(jī)反電動勢（V）；

id—整流電流瞬時值（A）；L—主電路總電感（H）；R—主電路等效電阻（），

R=Rrec+Ra+RL。整流裝置內(nèi)阻電動機(jī)電樞內(nèi)阻平波電抗器內(nèi)阻M圖2-1晶閘管-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖

用觸發(fā)脈沖的相位角

控制整流電壓的平均值Ud0是晶閘管整流器的特點(diǎn)。ud0Ud0

式中—從自然換相點(diǎn)算起的觸發(fā)脈沖控制角；—

=

0時的整流電壓波形峰值（V）；—交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)。Umm整流電壓的平均值計算Ud0與觸發(fā)脈沖相位角

的關(guān)系因整流電路的形式而異，對于一般的全控整流電路，當(dāng)電流波形連續(xù)時，Ud0=f()可用下式表示:表2-1不同整流電路的整流電壓波形峰值、脈波數(shù)及平均整流電壓整流電路

單相全波

三相半波

三相全波

六相半波

Um

22U

22U

26U

22U

m

2

3

6

6

Ud0

acos9.02U

acos17.12U

acos34.22U

acos35.12U

U2是整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值。三相全波26U6acos34.22U整流與逆變狀態(tài)

1）當(dāng)0<</2時，Ud0>0，晶閘管裝置處于整流狀態(tài)，電功率從交流側(cè)輸送到直流側(cè)；逆變顛覆限制

Ud0/22）當(dāng)/2<<max

時，Ud0<0，裝置處于有源逆變狀態(tài)，電功率反向傳送。整流max有源逆變通過設(shè)置控制電壓限幅值，來限制最大觸發(fā)角。逆變顛覆圖觸發(fā)脈沖相位角控制下整流電壓平均值曲線圖2-1晶閘管-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖

V-M系統(tǒng)調(diào)速：觸發(fā)裝置GT的作用就是把控制電壓Uc轉(zhuǎn)換成觸發(fā)脈沖的相位角，控制整流電壓的平均值Ud0。ud0Ud0Ud0IdE圖2-2V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖

2.電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)輸出的電流總是脈動的。M由于電流波形的脈動，可能存在電流的連續(xù)與斷續(xù)兩種情況。圖2-4V-M系統(tǒng)的電流波形1、整流電流波形為連續(xù)

V-M系統(tǒng)不同于G-M系統(tǒng)的一個特點(diǎn)Ud0IdE圖1-7V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖

∞

Ud0IdE圖2-2V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖

小2、整流電流波形為斷續(xù)2、整流電流波形為斷續(xù)1、整流電流波形為連續(xù)電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)

電流波形的斷續(xù)給用平均值描述的系統(tǒng)方程帶來一種非線性的因素，造成機(jī)械特性的非線性，以及系統(tǒng)運(yùn)行中的一些問題。因此在實(shí)際應(yīng)用中盡量避免發(fā)生電流斷續(xù)現(xiàn)象。脈動電流危害及抑制電流脈動的措施1、脈動電流危害脈動電流產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩脈動電流造成較大的諧波分量2、抑制電流脈動的措施設(shè)置平波電抗器；增加整流電路相數(shù)；采用多重化技術(shù)。設(shè)置電感量足夠大平波電抗器；脈動電流危害及抑制電流脈動的措施Ud0IdE圖2-2V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖

選擇平波電感量原則和計算電抗器總的電感量的步驟:選擇平波電感量原則:

一般按低速輕載時，保證電流連續(xù)的條件選擇。

1）選定最小電流Idmin：Idmin=(5%~10%)IN

3）計算平波電抗器電感量L平：L平＝L總－La計算平波電抗器電感量的步驟：2）由Idmin計算所需的總的電感量L總：單相橋式全控整流電路:總?cè)喟氩ㄕ麟娐?總?cè)鄻蚴秸麟娐?總電樞電感量3.晶閘管整流器-電動機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性

Ud0IdE圖2-2V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖

大穩(wěn)態(tài)運(yùn)行＝0

當(dāng)電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式＝式中Ce—電機(jī)在額定磁通下的電動勢系數(shù),Ce=KeN。1)全控式整流電路2)電流連續(xù)方程式成立條件（1）電流連續(xù)情況圖2-5電流連續(xù)時V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性

△n=Id

R/CeILnIdO＝n0-n上述分析說明：只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成是一個線性的可控電壓源。n0大圖2-5電流連續(xù)時V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性

△n=Id

R/CenIdILO（2）電流斷續(xù)情況圖中電流較小的部分畫成虛線，表明這時電流波形可能斷續(xù)，機(jī)械特性方程不再適用。理想空載轉(zhuǎn)速圖2-6完整的V-M系統(tǒng)機(jī)械特性1、V-M系統(tǒng)機(jī)械特性2、V-M系統(tǒng)機(jī)械特性的特點(diǎn)電流連續(xù)時特性比較硬

電流斷續(xù)時特性很軟；呈現(xiàn)非線性；理想空載轉(zhuǎn)速翹的很高。0<</2,n>0>/2,n<0

一般分析調(diào)速系統(tǒng)時，只要主電路電感足夠大，可以近似地只考慮連續(xù)段，即用連續(xù)段特性及其延長線作為系統(tǒng)的特性。4.晶閘管觸發(fā)和整流裝置的

放大系數(shù)和傳遞函數(shù)圖2-1晶閘管-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖

觸發(fā)電路控制電壓整流電壓4晶閘管觸發(fā)和整流裝置的

放大系數(shù)和傳遞函數(shù)放大系數(shù)傳遞函數(shù)穩(wěn)態(tài)分析動態(tài)分析1）、晶閘管觸發(fā)和整流裝置

的放大系數(shù)的計算圖2-1晶閘管-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖

實(shí)際的觸發(fā)電路和整流電路都是非線性的，只能在一定的工作范圍內(nèi)近似看成線性環(huán)節(jié)。最好的方法：實(shí)驗(yàn)方法測出輸入－輸出特性曲線，即Ud=f(Uc)UcUd1）、晶閘管觸發(fā)和整流裝置

的放大系數(shù)的計算

晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)可由工作范圍內(nèi)的特性斜率決定，計算方法是： 圖2-7晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出特性和的測定

（1）特性曲線斜率例如：設(shè)觸發(fā)電路控制電壓的調(diào)節(jié)范圍為

Uc=0~10V相對應(yīng)的整流電壓的變化范圍是

Ud=0~220V(2)放大系數(shù)估算=(220-0)/(10-0)=22如不能實(shí)測特性，則根據(jù)裝置的參數(shù)估計。1）、晶閘管觸發(fā)和整流裝置

的放大系數(shù)的計算KsUc(s)Ud0(s)晶閘管觸發(fā)與整流裝置穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2）晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)圖2-1晶閘管-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖

Ud0圖2-1晶閘管-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖

由晶閘管特性可知：晶閘管一旦導(dǎo)通后，控制電壓的變化對它不再起作用。除非下一相觸發(fā)脈沖到來時才能輸出整流電壓的變化，因此造成整流電壓Ud0滯后于控制電壓Uc。Ud0Ud0在動態(tài)過程中，可把晶閘管觸發(fā)與整流裝置看成是一個純滯后環(huán)節(jié)，其滯后效應(yīng)是由晶閘管的失控時間Ts引起的。t1t2t3t4UcUdUc111Ud01Uc22Ud02Ts圖2-8晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時間最大失控時間計算式中

—交流電流頻率（Hz）；—一周內(nèi)整流電壓的脈波數(shù)。fm

顯然，失控制時間是隨機(jī)的，它的大小隨Uc發(fā)生變化的時刻而改變，最大可能的失控時間就是兩個相鄰自然換相點(diǎn)之間的時間，與交流電源頻率和整流電路形式有關(guān)，由下式確定:失控時間Ts值的選取

平均值：

Ts

=Tsmax/2表2-2各種整流電路的失控時間晶閘管觸發(fā)和整流裝置傳遞函數(shù)的求取若用單位階躍函數(shù)表示滯后時間，則晶閘管和整流裝置地輸入輸出關(guān)系為：近似傳遞函數(shù)工程近似條件ωc≤3Ts1晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)Uc(s)Ud0(s)Uc(s)Ud0(s)a)準(zhǔn)確的b）近似的圖2-9晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖返回目錄可逆運(yùn)行困難；易損壞元件；產(chǎn)生諧波電流（電力公害）。5.晶閘管整流器運(yùn)行中存在的問題（缺陷）

圖2-1晶閘管-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖

2.1.2直流PWM變換器-電動機(jī)系統(tǒng)采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）的高頻電力電子開關(guān)控制方式，形成的脈寬調(diào)制變換器-直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，即直流PWM變換器-電動機(jī)系統(tǒng)。晶閘管－電動機(jī)系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）與直流PWM變換器-電動機(jī)系統(tǒng)（直流PWM系統(tǒng)）相比，區(qū)別在于：V-M調(diào)速系統(tǒng)：采用的電力電子元件是晶閘管可控整流裝置，通過控制觸發(fā)相位角，可以改變平均輸出電壓的大小。直流PWM變換器-電動機(jī)系統(tǒng)：采用的電力電子元件是脈寬調(diào)制變換器（PWM變換器），產(chǎn)生可調(diào)的直流電壓。PWM變換器：脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用各種脈沖寬度調(diào)制開關(guān)的電路，簡稱PWM變換器。PWM變換器的作用：用PWM調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓系列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

1.PWM變換器工作狀態(tài)

和電壓、電流波形PWM變換器形式：可逆不可逆雙極式單極式受限單極式無制動有制動Ud(n)不可逆PWM變換器圖2-10簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機(jī)系統(tǒng)

VDUs+UgCVTidM+__Ea）主電路原理圖

MUdOtUg（1）簡單的不可逆PWM變換器（無制動作用的PWM變換器）直流降壓斬波器：主電路功率開關(guān)器件是任意一種全控型開關(guān)器件(IGBT)絕緣柵雙極晶體管?主電路結(jié)構(gòu)圖2-10簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機(jī)系統(tǒng)

VDUs+UgCVTidM+__Ea）主電路原理圖

MUdOtUg直流電源電壓：由不可控整流電源提供濾波電容器：采用大電容濾波直流電動機(jī)續(xù)流二極管:在晶體管VT關(guān)斷時，為電樞電路提供釋放電感能量通路。功率開關(guān)器件:IGBTVT的柵極由脈寬可調(diào)的脈沖電壓序列Ug驅(qū)動。?工作原理圖2-10簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機(jī)系統(tǒng)

VDUs+UgCVTidM+__Ea）主電路原理圖

M21UdOtUgUd=0ton≤t≤T+Us0≤t≤

ton當(dāng)0≤

t<ton時，Ug為正，VT導(dǎo)通，電源電壓通過VT加到電動機(jī)電樞兩端；當(dāng)ton

≤

t<T時，Ug為負(fù)，VT關(guān)斷，電樞失去電源，經(jīng)VD續(xù)流。U,itUstonT0圖2-10b電壓和電流波形O電機(jī)兩端得到的平均電壓為: 式中=ton

/T為PWM波形的占空比。Ud=0ton≤t≤T+Us0≤t≤

tonUd電壓Ud波形圖2-10簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機(jī)系統(tǒng)

VDUs+CVTidM+__Ea）主電路原理圖

M21UdUg電流id波形U,itUstonT0圖2-10b電壓和電流波形OUdEid電動機(jī)反電動勢E的波形

電流波形是脈動的。由于電磁慣性，電樞電流變化的幅值比電壓幅值要小。Ud=E+RId圖2-10簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機(jī)系統(tǒng)

VDUs+UgCVTidM+__Ea）主電路原理圖

MUdOtUg

在簡單的不可逆電路中電流不能反向，因而沒有制動能力，只能作單象限運(yùn)行。需要制動時，必須為反向電流提供通路。

因此應(yīng)該設(shè)置控制反相通路的第二個電力晶體管，形成2個晶體管VT1和VT2交替開關(guān)的電路。主電路結(jié)構(gòu)圖2-11a有制動電流通路的不可逆PWM變換器M+﹣VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1ECUs+MVT2Ug2VT1Ug1Ｕｄid（2）有制動的不可逆PWM變換器電路1.雙管交替開關(guān)電路：當(dāng)VT1導(dǎo)通時，流過正向電流+id，VT2導(dǎo)通時，流過–id。2.電路不可逆：只能工作在第一、二象限，因?yàn)槠骄妷篣d并沒有改變極性。-idVT1是主管，起控制作用VT2是輔助管，用以構(gòu)成電動機(jī)的制動電路。U,iO電動過程分析及輸出波形M+﹣VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E12CUs+MVT2Ug2VT1Ug1Ｕｄ圖2-11a有制動電流通路的不可逆PWM變換器UdEidUsttonT圖1-17b一般電動狀態(tài)的電壓、電流波形Ud=0ton≤t≤T+Us0≤t≤

ton在0≤t≤ton期間，Ug1為正，VT1導(dǎo)通，Ug2為負(fù)，VT2關(guān)斷。此時，電源電壓Us加到電樞兩端，電流id沿圖中的回路1流通。ton為VT1的導(dǎo)通時間在ton

≤

t≤T期間，Ug1和Ug2都改變極性，VT1關(guān)斷，但VT2卻不能立即導(dǎo)通，因?yàn)閕d沿回路2經(jīng)二極管VD2續(xù)流，在VD2兩端產(chǎn)生的壓降給VT2施加反壓，使它失去導(dǎo)通的可能。電動：實(shí)際上是由VT1和VD2交替導(dǎo)通，雖然電路中多了一個功率開關(guān)器件，但并沒有被用上.id圖2-11a有制動電流通路的不可逆PWM變換器M+﹣VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1ECUs+MVT2Ug2VT1Ug1Ｕｄ制動過程分析

在制動狀態(tài)中，id為負(fù)值，VT2就發(fā)揮作用了。-id制動過程分析圖2-11a有制動電流通路的不可逆PWM變換器M+﹣VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1ECUs+MVT2Ug2VT1Ug1Ｕｄ－id43在0≤

t≤

ton

期間，VT2關(guān)斷，－id

沿回路4經(jīng)VD1續(xù)流，向電源回饋制動，與此同時，VD1兩端壓降鉗住VT1使它不能導(dǎo)通。在ton

≤

t≤

T期間，Ug2變正，于是VT2導(dǎo)通，反向電流id

沿回路3流通，產(chǎn)生能耗制動作用。

制動：VT2和VD1輪流導(dǎo)通，而VT1始終是關(guān)斷的.對于帶制動的不可逆電路，電壓平衡方程式分兩個階段

帶制動的不可逆電路電壓方程（0≤t<ton）（ton

≤t<T）U,iUdEidUsttonT0O2.直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性Ud0IdE機(jī)械特性方程==

Us按電壓方程求一個周期內(nèi)的平均值，即可導(dǎo)出直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性：帶制動的不可逆電路電壓平均值：＝Ud/Us:PWM電壓系數(shù)Ud

=

Us0式中Cm—電機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，Cm=KmN；n0—理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比，n0=Us

/Ce

。機(jī)械特性方程PWM調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性n–Id,–TeOn0s0.5n0s0.25n0sId

,Te圖2-12脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性曲線（電流連續(xù)），n0s＝Us

/Ce

=1

=0.75

=0.5

=0.25機(jī)械曲線是電流連續(xù)時脈寬調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。第一、二象限的機(jī)械特性，它適用于帶制動作用的不可逆電路雙極式控制可逆電路的機(jī)械特性與此相仿，只是更擴(kuò)展到第三、四象限了。VDUs+UgCVTidM+__Ea）主電路原理圖

MUdOtUg圖2-10簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機(jī)系統(tǒng)3.PWM控制器與變換器的數(shù)學(xué)模型驅(qū)動電壓M+﹣VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1ECUs+MVT2Ug2VT1Ug1Ｕｄ圖2-11有制動電流通路的不可逆PWM變換器驅(qū)動電壓驅(qū)動電壓UcUgUdPWM控制器PWM變換器圖2-13PWM控制與變換器的框圖

PWM控制器的控制電壓PWM控制器輸出到主電路開關(guān)器件的驅(qū)動電壓PWM變換器輸出的直流平均電壓

無論那一種PWM變換器，其驅(qū)動電壓Ug都是PWM控制器發(fā)出的。UcUgUdPWM控制器PWM變換器圖1-21PWM控制與變換器的框圖

根據(jù)其工作原理，當(dāng)控制電壓Uc改變時，PWM變換器的輸出電壓Ud要到下一個周期才能改變。因此PWM變換器和控制器合起來可以看成一個滯后環(huán)節(jié)，它的滯后時間最大不超過一個開關(guān)周期。PWM控制與變換器（簡稱PWM裝置）：是一個滯后環(huán)節(jié)。PWM裝置其傳遞函數(shù)可以寫成：式中Ks—PWM裝置的放大系數(shù)；Ts—PWM裝置的延遲時間，Ts

≤

T。

在一般的電力拖動自動控制系統(tǒng)中，時間常數(shù)小的滯后環(huán)節(jié)可以近似看成是一個一階慣性環(huán)節(jié)，因此:與晶閘管裝置傳遞函數(shù)完全一致。UcUgUdPWM控制器PWM變換器圖2-13PWM控制與變換器的框圖

PWM控制裝置PWM裝置與晶閘管一致：數(shù)學(xué)模型；控制作用。2.2穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)和直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性

1.對調(diào)速系統(tǒng)的控制要求2.2.1轉(zhuǎn)速控制的要求和穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)2）穩(wěn)速——以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動，以確保產(chǎn)品質(zhì)量；3）加、減速——頻繁起、制動的設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起、制動盡量平穩(wěn)。1）調(diào)速——在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分擋地(有級)或平滑地(無級)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；反映了調(diào)速系統(tǒng)性能的好壞，可以用調(diào)速性能指標(biāo)來定量衡量:動態(tài)性能指標(biāo)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)2.調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)（1）調(diào)速范圍（D）

電動機(jī)在額定負(fù)載下，生產(chǎn)機(jī)械要求電動機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母D表示，即：nTeTeNnmaxnmin在沒有特殊指定時，一般地nmax和nmin都是指額定負(fù)載下的最高和最低轉(zhuǎn)速；對于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，也可用實(shí)際負(fù)載時的轉(zhuǎn)速來定義調(diào)速范圍；通常nmax即為電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速nN,nmax=nN；調(diào)速范圍D越大，說明系統(tǒng)的調(diào)速范圍越寬。使用說明：nNnTenmaxnminTeNnN

||根據(jù)D大小交、直流調(diào)速系統(tǒng)的分類:D<3：調(diào)速范圍小的系統(tǒng)；3<D<50：調(diào)速范圍中等的調(diào)速系統(tǒng)；D≥50：寬調(diào)速范圍的系統(tǒng)；D≥1000：現(xiàn)代交直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍。所以，擴(kuò)大調(diào)速范圍一直是調(diào)速系統(tǒng)的重要課題。（2）靜差率（S）式中:nN=n0-nN

當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時，負(fù)載由理想空載增加到額定值時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落nN

，與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比，稱作靜差率S，nTe(Id)nNn0TeN2.調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)nN靜差率S概念說明：靜差率表征負(fù)載變化引起調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速偏離原定轉(zhuǎn)速的程度。所以，靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度。靜差率S越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度越好，系統(tǒng)的穩(wěn)定性越好。nTe(Id)nNn0TeNnNA.機(jī)械特性硬度不同靜差率與機(jī)械特性硬度的關(guān)系若機(jī)械特性不同，機(jī)械特性越硬，nN越小，靜差率S越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度越高，說明系統(tǒng)的穩(wěn)定性能越好。

nNTeNnTen0

nNS小S大0TeNTen0an0bab?

nNa

?

nNb

nO圖1-23不同轉(zhuǎn)速下的靜差率靜差率與機(jī)械特性硬度的關(guān)系B.機(jī)械特性硬度相同對于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定度也就越差。S大S小

一般所提的靜差率要求是指系統(tǒng)在最低速時的靜差率指標(biāo)。0TeNTen0maxn0minSminSmax?

nN?

nNnO圖2-14不同轉(zhuǎn)速下的靜差率nminnN（3）靜差率S與調(diào)速范圍D的關(guān)系

調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速時所能達(dá)到的數(shù)值為準(zhǔn)。調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍是指在最低速時滿足靜差率要求下系統(tǒng)所達(dá)到的最大調(diào)節(jié)范圍。在一定的靜差率S條件下系統(tǒng)能達(dá)到多大的調(diào)速范圍D。

設(shè)：電機(jī)額定轉(zhuǎn)速nN為最高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速降落為nN，則按照上面分析的結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時的靜差率，即最低轉(zhuǎn)速為：調(diào)速范圍為：nmin=nND（4）調(diào)速范圍D、靜差率S和額定速降nN之間的關(guān)系

對于同一個調(diào)速系統(tǒng)，它的特性硬度或是值是一定的，對于靜差率S的要求越小，則系統(tǒng)能夠達(dá)到的調(diào)速范圍越小。調(diào)速范圍D、靜差率S和額定速降nN之間的關(guān)系

一個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。結(jié)論1

例題2-1

某直流調(diào)速系統(tǒng)電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速為nN=1430r/min，額定速降nN

=115r/min，(1)當(dāng)要求靜差率s≤30%時,允許多大的調(diào)速范圍D？(2)如果要求靜差率s≤20%,則調(diào)速范圍D是多少？(3)如果希望調(diào)速范圍達(dá)到D=10，所能滿足的靜差率S是多少？解:(1)

要求s≤30%時，調(diào)速范圍為:(2)若要求s≤20%，則調(diào)速范圍只有(3)若調(diào)速范圍達(dá)到10，則靜差率只能是nN=1430r/min，nN

=115r/min≤≤2.2.2直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性圖2-1晶閘管-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖

開環(huán)系統(tǒng)UPE(晶閘管整流器、PWM變換器)圖2-15開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖1)電力電子變換器2)直流電動機(jī)電力電子變換器1)電力電子變換器2)直流電動機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性：開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖：整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)UcUd0Ks電動機(jī)n1/CeIdRE-圖2-17開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性：n0n01n02n03⊿nNUc1Uc2Uc3Uc0Uc0>Uc1>Uc2>Uc3圖2-17開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性例題2-2某龍門刨床工作臺拖動采用直流電動機(jī)，其額定數(shù)據(jù)如下：PN=60kW,UN=220V,IN=305A，nN=1000r/min，采用V-M系統(tǒng)，主電路總電阻R=0.18,電動機(jī)電動勢系數(shù)Ce=0.2V·min/r。如果要求調(diào)速范圍D=20，靜差率s≤5%，采用開環(huán)調(diào)速能否滿足？若要滿足這個要求，系統(tǒng)的額定速降最多能有多少？0TeNTen0maxn0minSminSmax?

nN?

nNnO圖2-14不同轉(zhuǎn)速下的靜差率nminnNSN＝解:當(dāng)電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的額定速降為≥5％

由此可見，開環(huán)調(diào)速已不能滿足要求，需采用反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來解決這個問題。轉(zhuǎn)速波動大調(diào)速范圍小開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時的靜差率為如要求D=20，S≤5%,Smin=2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會自動產(chǎn)生糾正偏差的作用。調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)將使調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。

2.3.1轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型圖2-18

帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖+-AMTG+-+-+-UtgUdIdn+--+Un?UnU*nUcUPE+-MTGIdUnUdUctg～1、系統(tǒng)原理框圖給定比較速度調(diào)節(jié)器電力電子器件組成的變換器負(fù)載直流電動機(jī)測速UcUd0u~ACDC

UPE組成：其輸入接三相（或單相）交流電源，輸出為可控的直流電壓，控制電壓為Uc。1、中、小容量系統(tǒng)：由IGBT組成的PWM變換器；2、較大容量的系統(tǒng)：采用其他電力電子開關(guān)器件，如GTO等；3、特大容量的系統(tǒng)：晶閘管觸發(fā)與整流裝置。在自動控制系統(tǒng)中，對信號經(jīng)比較環(huán)節(jié)得到的誤差信號進(jìn)行計算、調(diào)節(jié)的單元叫調(diào)節(jié)器。直流測速發(fā)電機(jī)在電動機(jī)同軸上安裝一臺測速發(fā)電機(jī)TG，它的輸出電壓Un與轉(zhuǎn)速n成正比，這就構(gòu)成了反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。+-AMTG+-+-+-UtgUdIdn+--+Un?Un

U*nUcUPE+-MTGIdUnUdUctg～對給定信號的調(diào)節(jié)改變Un*,則n改變,即n隨著Un*改變而改變。(調(diào)速過程)2、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)原理對擾動信號的調(diào)節(jié)

負(fù)載波動時,n基本不受擾動輸入的影響,速降很小。+-AMTG+-+-+-UtgUdIdn+--+Un?UnU*nUcUPE+-MTGIdUnUdUctg～TL(穩(wěn)速過程)

調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)將使調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。2、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)原理閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)原理

同一系統(tǒng)的閉環(huán)速降將小于開環(huán)速降。3、轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)（靜）特性下面分析閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，以確定它如何能夠減少轉(zhuǎn)速降落。為了突出主要矛盾，先作如下的假定：1）忽略各種非線性因素，假定系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系都是線性的，或者只取其線性工作段。2）忽略控制電源和電位器的內(nèi)阻。3）假定只工作在V-M系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性的連續(xù)段。比較+-AMTG+-+-+-UtgUdIdn+--+Un?UnU*nUcUPE+-MTGIdUnUdUctg～給定速度調(diào)節(jié)器電力電子器件組成的變換器直流電動機(jī)測速比較負(fù)載Un*放大器整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)電動機(jī)測速檢測ΔUnUcUd0nUn-圖2-18帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖1、對于中、小容量系統(tǒng)，多采用由IGBT組成的PWM變換器；2、對于較大容量的系統(tǒng)，可采用其他電力電子開關(guān)器件，如GTO等；3、對于特大容量的系統(tǒng)，則常用晶閘管觸發(fā)與整流裝置。系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖：Un*放大器整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)電動機(jī)測速檢測ΔUn*UcUd0nUn-

穩(wěn)態(tài)關(guān)系1)電壓比較環(huán)節(jié)

2)放大器3)電力電子變換器

(整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)）

4)直流電動機(jī)5)測速反饋環(huán)節(jié)

KpKs1/Ceα放大器電壓放大系數(shù)晶閘管整流裝置電壓放大系數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)IdRE-靜特性方程(1)由各環(huán)節(jié)輸入輸出關(guān)系式推導(dǎo)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式：IdRKpKs1/CeαΔUn*UcUd0nUn-Un*-E1)電壓比較環(huán)節(jié)

2)放大器3)電力電子變換器

(整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)）

4)直流電動機(jī)

5)測速反饋環(huán)節(jié)

:閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)IdRKpKs1/CeαΔUn*UcUd0nUn-Un*-E是各個環(huán)節(jié)單獨(dú)的放大系數(shù)乘積。它相當(dāng)于在測速反饋電位器輸出端把反饋回路斷開，從放大器輸入起到測速反饋輸出為止總的電壓放大系數(shù)。

注意

閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流（或轉(zhuǎn)矩）間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，它在形式上與開環(huán)機(jī)械特性相似，但本質(zhì)上卻有很大不同，故定名為“靜特性”，以示區(qū)別。

若上圖只考慮給定作用Un*時的閉環(huán)系統(tǒng)：

若上圖

只考慮擾動作用-IdR

時的閉環(huán)系統(tǒng)：U*nKpKs

1/CeUc?UnnUd0Un+-KpKs

1/Ce-IdRnUd0+-EIdRKpKs1/CeαΔUn*UcUd0nUn-Un*-E（2）用靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖推導(dǎo)靜特性方程式建立系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的基本步驟如下：（1）列出描述該環(huán)節(jié)動態(tài)過程的微分方程；（2）進(jìn)行拉氏變換；（3）求出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；（4）根據(jù)各個環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)圖畫出系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖；（5）求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。4.轉(zhuǎn)速反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的

動態(tài)數(shù)學(xué)模型一、環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)1）、額定勵磁下的直流電動機(jī)的傳遞函數(shù)；Un*放大器整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)電動機(jī)測速檢測ΔUn*UcUd0nUn-電動機(jī)整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)測速檢測放大器2）、晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)；3）、比例放大器的數(shù)學(xué)模型和傳遞函數(shù)；4）、測速反饋環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型和傳遞函數(shù)。直流電動機(jī)的勵磁為額定勵磁，且保持不變。

直流電動機(jī)本身的運(yùn)動阻力都?xì)w并到負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL中去。主電路電流連續(xù)。1）.額定勵磁下的直流電動機(jī)的傳遞函數(shù)假定：E=CenTe=CmId

TL=CmIdLTL+-MUd0+-ERLTeidM圖1-33他勵直流電動機(jī)等效電路

1）動態(tài)電壓方程式中，R=Rrec+RL+RaRrec:整流裝置內(nèi)阻RL：平波電抗器電阻Ra：電動機(jī)電樞電阻2）電動機(jī)軸上的動力學(xué)方程式中TL—包括電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩(N·m)；

GD2

—電力拖動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的飛輪慣量(N·m2)；3）額定勵磁下的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩

Cm

—電機(jī)額定勵磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)(N·m/A)，

電樞回路總電阻Tl—電樞回路電磁時間常數(shù)(s)，a)電壓電流間的結(jié)構(gòu)框圖1/RTls+1E(s)Ud0(s)+-Id1）動態(tài)電壓方程電流與電動勢間的傳遞函數(shù)

Tm—電力拖動系統(tǒng)機(jī)電時間常數(shù)(s)TL=CmIdLCmId-CmIdLn=E/Ceb)電流電動勢間的結(jié)構(gòu)框圖2）電動機(jī)軸上的動力學(xué)方程3）額定勵磁下的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩Id

(s)IdL(s)+-RTmsE

(s)電動機(jī)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

Id

(s)IdL(s)+-E

(s)RTmsb)電流電動勢間的結(jié)構(gòu)框圖E(s)Ud0(s)+-1/RTls+1Id

(s)a)電壓電流間的結(jié)構(gòu)框圖+圖2-21額定勵磁下直流電動機(jī)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖1/Cen額定勵磁下直流電動機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖Un*放大器整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)電動機(jī)測速檢測ΔUn*UcUd0nUn-電動機(jī)整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)測速檢測放大器圖2-21c整個直流電動機(jī)的動態(tài)的結(jié)構(gòu)框圖n(s)1/CeUd0(s)IdL

(s)

EId(s)E++--1/RTls+1RTmsIdRKpKs1/CeαΔUn*UcUd0nUn-Un*-E動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡化圖2-21c整個直流電動機(jī)的動態(tài)的結(jié)構(gòu)框圖n(s)1/CeUd0(s)IdL

(s)

EId(s)Un++--1/RTls+1RTmsn(s)Ud0

(s)+-1/CeTmTls2+Tms+1IdL

(s)R(Tls+1)a.IdL≠0動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡化（續(xù)）n(s)Ud0

(s)+-1/CeTmTls2+Tms+1IdL

(s)R(Tls+1)a.IdL≠0b.IdL=0(空載)一、環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)1）、額定勵磁下的直流電動機(jī)的傳遞函數(shù)；Un*放大器整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)電動機(jī)測速檢測ΔUn*UcUd0nUn-電動機(jī)整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)2）、晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)；3）、比例放大器的數(shù)學(xué)模型和傳遞函數(shù)；4）、測速反饋環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型和傳遞函數(shù)。2）.晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)

構(gòu)成系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)是電力電子變換器和直流電動機(jī)。不同電力電子變換器的傳遞函數(shù)，它們的表達(dá)式是相同的，都是只是在不同場合下，參數(shù)Ks和Ts的數(shù)值不同而已。

Uc(s)Ud0(s)Uc(s)Ud0(s)Un*放大器整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)電動機(jī)測速檢測ΔUn*UcUd0nUn-電動機(jī)整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)測速檢測放大器IdRKpKs1/CeαΔUn*UcUd0nUn-Un*-E2）.晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)一、環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)1)、額定勵磁下的直流電動機(jī)的傳遞函數(shù)；Un*放大器整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)電動機(jī)測速檢測ΔUn*UcUd0nUn-電動機(jī)整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)2)、晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)；3)、比例放大器的數(shù)學(xué)模型和傳遞函數(shù)；4)、測速反饋環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型和傳遞函數(shù)。放大器直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的其他環(huán)節(jié)還有比例放大器和測速反饋環(huán)節(jié)，它們的響應(yīng)都可以認(rèn)為是瞬時的，因此它們的傳遞函數(shù)就是它們的放大系數(shù)，即

數(shù)學(xué)模型3).控制（比例放大器）環(huán)節(jié)的

數(shù)學(xué)模型和傳遞函數(shù)Uc=KpΔUn傳遞函數(shù)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖KpΔUnUcUn*放大器整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)電動機(jī)測速檢測ΔUn*UcUd0nUn-電動機(jī)整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)測速檢測放大器KpΔUnUc一、環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)1)、額定勵磁下的直流電動機(jī)的傳遞函數(shù)；Un*放大器整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)電動機(jī)測速檢測ΔUn*UcUd0nUn-電動機(jī)整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)2)、晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)；3)、比例放大器的數(shù)學(xué)模型和傳遞函數(shù)；4)、測速反饋環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型和傳遞函數(shù)。放大器測速檢測4)、測速反饋環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型和傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型傳遞函數(shù)Un=αn動態(tài)結(jié)構(gòu)圖αUnnUn*放大器整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)電動機(jī)測速檢測ΔUn*UcUd0nUn-電動機(jī)整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)測速檢測放大器KpΔUnUcαUnn二、單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型和傳遞函數(shù)1、動態(tài)數(shù)學(xué)模型（動態(tài)結(jié)構(gòu)圖）n(s)Ud0

(s)+-1/CeTmTls2+Tms+1IdL

(s)R(Tls+1)Uc(s)Ud0(s)αUnnKpΔUnUcΔUnUn*Un-反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖2-23轉(zhuǎn)速反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖U*n(s)IdL

(s)

Uc

(s)Un(s)+-KsTss+1KP1/CeTmTl

s2+Tms+1+-R(Tls+1)Ud0(s)△Un(s)nIdRKpKs1/CeαΔUn*UcUd0nUn-Un*-E圖2-23反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖U*n(s)IdL

(s)

Uc

(s)Un(s)+-KsTss+1KP1/CeTmTl

s2+Tms+1+-R(Tls+1)Ud0(s)△Un(s)U*n(s)IdL

(s)

Uc

(s)Un(s)+-KsTss+1KP1/CeTmTl

s2+Tms+1+-R(Tls+1)Ud0(s)△Un(s)2.調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是:1/CeTmTls2+Tms+1KpKsTss+1K=KpKs/CeW(S)=3.調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)U*n(s)IdL

(s)

Uc

(s)Un(s)+-KsTss+1KP1/CeTmTl

s2+Tms+1+-R(Tls+1)Ud0(s)△Un(s)=0閉環(huán)特征多項式2.3.2比例控制的直流調(diào)速系統(tǒng)1.開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械特性(K=0)為：

閉環(huán)時的靜特性可寫成：IdRKpKs1/CeαΔUn*UcUd0nUn-Un*-E＝0

開環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速

開環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降

閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速

閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)特性比較當(dāng)K較大時，Δncl<<Δnop。在同樣的負(fù)載擾動下，兩者的轉(zhuǎn)速降落分別:（1）（1）閉環(huán)系統(tǒng)靜特性可以比開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性硬得多。在相同負(fù)載下閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性和開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性nn0閉開ΔnclΔnop注：這是閉環(huán)系統(tǒng)的一個突出特點(diǎn)。閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K值越大，則靜特性的硬度越大。但K的最大值受到閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性條件所限制不能太大。210閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為:

當(dāng)閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K較大時，Scl可以比Sop小得多。（2）當(dāng)理想空載轉(zhuǎn)速相同n0op=n0cl

，則閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多,即Scl<Sop。當(dāng)n0op=n0cl時，（2）閉開n0op=n0clSclSop

如果電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速都是nmax，而對最低速靜差率的要求相同，那么：閉環(huán)時， 開環(huán)時,（3）當(dāng)要求的靜差率一定，且最高轉(zhuǎn)速（額定轉(zhuǎn)速nN)相同時閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。當(dāng)閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K較大時，Dcl可比Dop大得多。（3）（2）當(dāng)理想空載轉(zhuǎn)速相同n0op=n0cl

，則閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多,即Scl<Sop。（3）當(dāng)要求的靜差率一定，且最高轉(zhuǎn)速（額定轉(zhuǎn)速nN)相同時閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍，即Dcl>Dop。（1）閉環(huán)系統(tǒng)靜性可以比開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性硬得多。

綜合上述三點(diǎn)可見：提高閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K是擴(kuò)大系統(tǒng)的調(diào)速范圍D、減小靜差率S、降低轉(zhuǎn)速降落Δn的有效措施。（4）要取得上述三項優(yōu)勢，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。（4）

上述三項優(yōu)點(diǎn)若要有效，都取決于一點(diǎn)，即K要足夠大，因此必須設(shè)置放大器。圖2-1晶閘管-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖

Un*開環(huán)系統(tǒng)中不用設(shè)置放大器IdRKpKs1/CeαΔUn*UcUd0nUn-Un*-E閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，且閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)越大，穩(wěn)態(tài)（靜）特性就越硬。在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價是，須增設(shè)電壓放大器以及檢測與反饋裝置。

結(jié)論2在例題2-2中，龍門刨床要求：D=20，s≤5%。已知Ks=30，=0.015V·min/r，Ce=0.2V·min/r，如何采用閉環(huán)系統(tǒng)滿足此要求？

例題2-3解：Δnop=275r/min；Δncl

≤2.63r/min≥

即只要放大器的放大系數(shù)等于或大于46，閉環(huán)系統(tǒng)就能滿足所需的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。

開環(huán)系統(tǒng)：

閉環(huán)系統(tǒng)：

Id

RId

nId

nUnUn

nUd0Uc閉環(huán)系統(tǒng)能夠減小穩(wěn)態(tài)速降，但不是減少電阻。系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程及

閉環(huán)系統(tǒng)降低穩(wěn)態(tài)速降的實(shí)質(zhì)IdRKpKs1/CeαΔUn*UcUd0nUn-Un*-En0OIdId1Id3Id2Id4ABCA′D閉環(huán)靜特性開環(huán)機(jī)械特性圖2-24閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機(jī)械特性的關(guān)系Ud04Ud03Ud02Ud01閉環(huán)靜特性曲線ΔnopΔnclIdRKpKs1/CeαΔUn*UcUd0nUn-Un*-E閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實(shí)質(zhì)：

在于它的自動調(diào)節(jié)作用；在于它能隨著負(fù)載的變化而相應(yīng)地改變電樞電壓（整流電壓），以補(bǔ)償電樞回路電阻壓降的變化。2.反饋控制規(guī)律1).被調(diào)量有靜差2).抵抗擾動,服從給定3).系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測精度1).被調(diào)量有靜差從靜特性分析中可以看出，由于采用了比例放大器，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K值越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能越好。閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降：=常數(shù)

穩(wěn)態(tài)速降只能減小，不可能消除。

因此，這樣的調(diào)速系統(tǒng)叫做有靜差調(diào)速系統(tǒng)。實(shí)際上，這種系統(tǒng)正是依靠被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的。（采用比例放大器）比較+-AMTG+-+-+-UtgUdIdn+--+Un?UnU*nUcUPE+-MTGIdUnUdUctg～給定速度調(diào)節(jié)器電力電子器件組成的變換器直流電動機(jī)測速比較負(fù)載IdRKpKs1/CeαΔUnUcUd0nUn-Un*-EΔncl＝0

這種系統(tǒng)是以偏差存在為前提的。

閉環(huán)系統(tǒng)能夠減小靜態(tài)速降，但不能消除靜態(tài)速降，這樣的調(diào)速系統(tǒng)簡稱為有靜差的調(diào)速系統(tǒng)。有靜差調(diào)速系統(tǒng)（采用比例放大器）2).抵抗擾動,服從給定

反饋控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能：它能有效地抑制一切被負(fù)反饋環(huán)所包圍的前向通道上的擾動作用，但完全服從給定作用。擾動作用與影響圖2-25閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動作用

勵磁變化Id變化（負(fù)載）電源波動Kp變化電阻變化檢測誤差KpKs

1/CeU*nUc?UnEnUd0Un++--

R

UcUd0u~ACDCUd0Uc擾動：除給定信號外，作用在控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)上的一切會引起輸出量變化的因素都叫做“擾動作用”?？箶_能力（1）反饋控制系統(tǒng)對被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動都有抑制功能。圖2-25閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動作用

勵磁變化Id變化電源波動Kp變化電阻變化檢測誤差KpKs

1/CeU*nUc?UnEnUd0Un++--

R

抗擾能力（續(xù)）（2）但是，如果在反饋通道上的測速反饋系數(shù)受到某種影響而發(fā)生變化，它非但不能得到反饋控制系統(tǒng)的抑制，反而會增大被調(diào)量的誤差。勵磁變化Id變化電源波動Kp變化電阻變化檢測誤差KpKs

1/CeU*nUc?UnEnUd0Un++--

R

抗擾能力（續(xù)）勵磁變化Id變化電源波動Kp變化電阻變化檢測誤差KpKs

1/CeU*nUc?UnEnUd0Un++--

R

因此，反饋控制系統(tǒng)所能抑制的只是被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動。給定作用（3）在反饋環(huán)外的給定作用Un*，它的些微變化都會使被調(diào)量隨之變化，絲毫不受反饋?zhàn)饔玫囊种啤?/p>

勵磁變化Id變化電源波動Kp變化電阻變化檢測誤差KpKs

1/CeU*nUc?UnEnUd0Un++--

R

反饋控制系統(tǒng)的規(guī)律是：一方面能夠有效地抑制一切被包在負(fù)反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動作用；另一方面，則緊緊地跟隨著給定作用，聽從于給定信號的任何變化。結(jié)論3抗擾性能是負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)最突出的特征。根據(jù)這一特征，在設(shè)計系統(tǒng)時，一般只考慮其中最主要的擾動，如在調(diào)速系統(tǒng)中只考慮負(fù)載擾動，按照抑制負(fù)載擾動的要求進(jìn)行設(shè)計，則其它擾動的影響就必然受到抑制。勵磁變化Id變化（負(fù)載）電源波動Kp變化電阻變化檢測誤差KpKs

1/CeU*nUc?UnEnUd0Un++--

R

3).系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測精度勵磁變化Id變化電源波動Kp變化電阻變化檢測誤差KpKs

1/CeU*nUc?UnEnUd0Un++--

R

系統(tǒng)的精度依賴于給定穩(wěn)壓電源和反饋檢測元件精度3.比例控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

的動態(tài)穩(wěn)定性閉環(huán)特征方程由勞斯穩(wěn)定判據(jù)可知：S3S2S1S01>0>0>0>01

Kcr稱作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)，當(dāng)K

≥Kcr時，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。

=Kcr反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件系統(tǒng)穩(wěn)定性分析在例題2-3中，系統(tǒng)采用的是三相橋式可控整流電路，已知R=0.18，L=3mH，系統(tǒng)運(yùn)動部分的飛輪慣量GD2=60N·m2，試判別這個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

例題2-42)機(jī)電時間常數(shù)Tm1)失控時間Ts

對于三相橋式整流電路，晶閘管裝置的滯后時間常數(shù)為3)電磁時間常數(shù)TlTs=0.00167s反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件：為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)滿足的穩(wěn)定條件：返回目錄按穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)要求K

≥103.6，因此，閉環(huán)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。例題2-5在上題的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，若改用全控型器件PWM調(diào)速系統(tǒng)，電動機(jī)不變，電樞回路參數(shù)為：已知R=0.1，L=1mH，Ks=44，PWM開關(guān)頻率為8kHz。按同樣的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)：D=20，s≤5％，該系統(tǒng)能否穩(wěn)定？如果對靜差率的要求不變，在保證穩(wěn)定時，系統(tǒng)能夠達(dá)到的最大調(diào)速范圍有多少？

1、首先求出使系統(tǒng)穩(wěn)定的K的取值范圍。解：2)機(jī)電時間常數(shù)Tm

1)失控時間Ts

3)電磁時間常數(shù)Tl

R=0.1，L=1mH，Ks=44，PWM開關(guān)頻率為8kHz。D=20，s≤5％。

K<339.4所以，使系統(tǒng)穩(wěn)定的K的取值范圍2、按照性能指標(biāo)的要求，選取滿足K的取值范圍305X0.10.2=152.5r/min≥152.42.63-1=57K≥57綜合1、2，系統(tǒng)完全在滿足穩(wěn)態(tài)性能的條件下穩(wěn)定運(yùn)行。1、首先求出使系統(tǒng)穩(wěn)定的K的取值范圍K<339.4D=20，s≤5％。上題的閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)在臨界穩(wěn)定的條件下，最多能達(dá)到多大的調(diào)速范圍？